汽车电动化发展趋势及其前瞻性技术研讨汽车电动化发展趋势及其前瞻性技术研讨 上海大学黄苏融上海大学黄苏融 20192019第三届中国电动汽车驱动与控制技术论坛第三届中国电动汽车驱动与控制技术论坛 2019-7-18 2019-7-18 上海浦东世纪皇冠假日酒店上海浦东世纪皇冠假日酒店 主要内容主要内容 1. 1. 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 2 2. . EVEV驱动电机高速化发展历程与现状驱动电机高速化发展历程与现状 3 3. . Hairpin Hairpin 发卡式扁线绕组发展历程与现状发卡式扁线绕组发展历程与现状 4. 4. EVEV永磁驱动电机新技术发展趋势永磁驱动电机新技术发展趋势 高速高速高密度高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 1.1.高速高速高密度高密度EVEV驱动电机技术发展主要目标驱动电机技术发展主要目标 新结构新材料、动力系统集成化，新结构新材料、动力系统集成化，EVEV电机处于高速发展阶段，技术多元化：电机处于高速发展阶段，技术多元化： 提升提升EVEV电机性能和可靠性电机性能和可靠性, ,降低成本。降低成本。 (1)(1)高速高速高密度高密度，电机传动驱动集成化，动力总成轻量小型化、高可靠低成本。，电机传动驱动集成化，动力总成轻量小型化、高可靠低成本。 1)1)主流产品技术：主流产品技术：IPMIPM永磁磁阻同步电机轻稀土少稀土；发卡式永磁磁阻同步电机轻稀土少稀土；发卡式/ /扁线成型绕组。扁线成型绕组。 2)2)高频低损耗高速高强度电工钢，高性价比磁钢抗去磁抑制高频涡流。高频低损耗高速高强度电工钢，高性价比磁钢抗去磁抑制高频涡流。 3)3)高速高密度宽广的高效运行区，高刚度、强冷却高速高密度宽广的高效运行区，高刚度、强冷却( (水冷水冷+ +直接油冷直接油冷) )、优良的电磁、优良的电磁- -机械机械- -热热 传导性能、高密度低噪声品质。传导性能、高密度低噪声品质。 (2)(2)新结构新材料高速新结构新材料高速/ /高密度电机。高密度电机。 1)1)取向与无取向混合铁芯，非晶合金、取向与无取向混合铁芯，非晶合金、SMC SMC ； 2)2)轴向磁场、横向磁场、磁性齿轮轴向磁场、横向磁场、磁性齿轮+ +电机、电机、EVTEVT等电机。等电机。 高速高速高密度高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 1.1.高速高速高密度高密度EVEV驱动电机技术发展主要目标驱动电机技术发展主要目标 下一步进入下一步进入EVEV电机平稳发展阶段，提高产品运行可靠性和技术经济性能。电机平稳发展阶段，提高产品运行可靠性和技术经济性能。 ( (1 1) )面向自动化制造技术，批量产品性能的精准稳定一致性的设计、制造与装备面向自动化制造技术，批量产品性能的精准稳定一致性的设计、制造与装备 技术。技术。 ( (2 2) )多物理域仿真测试平台基于部件材料服役特性的电机多领域正向设计。多物理域仿真测试平台基于部件材料服役特性的电机多领域正向设计。 1) 1) 开展电机部件材料的多领域服役特性研究，建立部件材料服役特性数据库；开展电机部件材料的多领域服役特性研究，建立部件材料服役特性数据库； 2) 2) 解决解决复杂工况恶劣环境运行的电机性能与可靠性仿真评估难题，以及电机加工与装配对电复杂工况恶劣环境运行的电机性能与可靠性仿真评估难题，以及电机加工与装配对电 机性能的影响。机性能的影响。提高部件材料的极限能力和利用率，降低成本。提高部件材料的极限能力和利用率，降低成本。 3) 3) 逼近运行工况的逼近运行工况的产品性能产品性能- -可靠性可靠性- -寿命设计与仿真测试验证，减少产品试验验证的次数。寿命设计与仿真测试验证，减少产品试验验证的次数。 高速高速高密度高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 2.2.高速高密度低噪声高速高密度低噪声EVEV驱动电机的挑战驱动电机的挑战 (1) (1) 高速高速EVEV驱动电机设计与制造技术的挑战。驱动电机设计与制造技术的挑战。 高频电机绕组与绝缘材料、电工钢、磁钢的服役特性，轴承电流与高频电机绕组与绝缘材料、电工钢、磁钢的服役特性，轴承电流与EMCEMC；高速电机转子；高速电机转子, ,轴承。轴承。 (2) (2) 高速宽广范围运行电机的挑战。高速宽广范围运行电机的挑战。 高效率高效率- -高密度高密度- -低噪声低噪声- -低脉动转矩，电机模态与电磁力波参数匹配，共振与主动抑制技术。低脉动转矩，电机模态与电磁力波参数匹配，共振与主动抑制技术。 (3) (3) 高频高速电机参数敏感性强。高频高速电机参数敏感性强。 批量产品性能的精准稳定一致性的设计、制造与装备技术。批量产品性能的精准稳定一致性的设计、制造与装备技术。 (4) (4) 满足整车运行工况与恶劣环境，产品性能满足整车运行工况与恶劣环境，产品性能- -可靠性可靠性- -寿命的设计与测试验证。寿命的设计与测试验证。 高速高速高密度高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 3.3.高速高速EVEV驱动电机关键技术驱动电机关键技术 高速化高速化181820krpm20krpm、20202 22 2krpmkrpm、2 22 22 26 6krpmkrpm；提高功率体积密度和重量密度，降低材料成本。；提高功率体积密度和重量密度，降低材料成本。 (1)(1)高速高效高刚度高速高效高刚度IPMIPM电机定子。电机定子。 1)1)电机极槽配合及其电电机极槽配合及其电- -磁磁- -机机- -热性能的折衷平衡设计，热性能的折衷平衡设计， 包括高刚度包括高刚度- -高热导结构，高导磁高热导结构，高导磁- -低铁耗磁路结构及材料。低铁耗磁路结构及材料。 挑战挑战: : #1#1全牵引特性运行区域的电磁力波与定子模态匹配以及全牵引特性运行区域的电磁力波与定子模态匹配以及NVHNVH设计；设计；#2#2高效区优化及其高高效区优化及其高 频铁耗、计及集肤临近效应的电机绕组交流电阻及铜耗的精准分析计算。频铁耗、计及集肤临近效应的电机绕组交流电阻及铜耗的精准分析计算。 2) 2)定子绕组的槽内换位与端部换位、定子绕组的槽内换位与端部换位、定子发卡绕组定子发卡绕组/ /多匝簿扁线成型导体，里芝导线绕组。多匝簿扁线成型导体，里芝导线绕组。 定子绕组槽内与端部的高热导材料灌封与塑封；增强热传导和刚度，降低绕组温升和铜耗，定子绕组槽内与端部的高热导材料灌封与塑封；增强热传导和刚度，降低绕组温升和铜耗， 提高效率和输出功率。提高效率和输出功率。 高速高速高密度高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 3.3.高速高速EVEV驱动电机关键技术驱动电机关键技术 高速化高速化181820krpm20krpm、20202 22 2krpmkrpm、2 22 22 26 6krpmkrpm；提高功率体积密度和重量密度，降低材料成本。；提高功率体积密度和重量密度，降低材料成本。 (1)(1)高速高效高刚度高速高效高刚度IPMIPM电机定子。电机定子。 2) 2)定子绕组的槽内换位与端部换位、定子发卡绕组定子绕组的槽内换位与端部换位、定子发卡绕组/ /多匝簿扁线成型导体，里芝导线绕组。多匝簿扁线成型导体，里芝导线绕组。 3) 3)定子和转子定子和转子AFTAFT直接内油冷，增强冷却散热能力，提高持续输出功率。直接内油冷，增强冷却散热能力，提高持续输出功率。 挑战挑战: : 高频集肤临近效应和交流电阻，高频集肤临近效应和交流电阻，PDIV ; 3) 3) 轴向叠层轴向叠层 ; 220220240240C高温、高温、800VDC800VDC高压、内油冷条件下的抗高压、内油冷条件下的抗PDIV & CIV(PDIV & CIV(局部放电起始电压局部放电起始电压& &电电 晕起始电压晕起始电压) )的绝缘系统，包括电磁线、相关的绝缘材料、导热树脂等。的绝缘系统，包括电磁线、相关的绝缘材料、导热树脂等。 l 建立材料服役特性数据库。建立材料服役特性数据库。 高速高速高密度高密度E EV V驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 4.4.高性能高性能EVEV驱动电机的基础科学问题驱动电机的基础科学问题 (1) (1) 复杂工况恶劣环境下电工材料与器件的服役特性；复杂工况恶劣环境下电工材料与器件的服役特性； ( (2) 2) 多元化多目标电机系统精确化建模与分析；多元化多目标电机系统精确化建模与分析； (3) (3) 面向对象的电机系统优化理论与方法；面向对象的电机系统优化理论与方法； (4) EV(4) EV电机系统设计性能与核心制造工艺相互影响机制与效应；电机系统设计性能与核心制造工艺相互影响机制与效应； (5) (5) 高性能高性能EVEV电机系统测评与标准体系。电机系统测评与标准体系。 高速高速高密度高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 基于材料服役特性的基于材料服役特性的EVEV电机多领域一体化正向设计，实现电机与材料的机电机多领域一体化正向设计，实现电机与材料的机- -电电- -磁磁- -热多领域特性热多领域特性 匹配，解决电机极限设计的难题。匹配，解决电机极限设计的难题。 电磁材料服役特性研究电磁材料服役特性研究 抗集肤效应的抗集肤效应的- -对称排列对称排列- -端部换位端部换位绕组绕组 高热导绕组高热导绕组绝缘绝缘 高效高效-NVH-NVH区规划区规划与转矩脉动抑制与转矩脉动抑制 高刚度定子与抗高频涡流的正弦化磁极高刚度定子与抗高频涡流的正弦化磁极 电机电机- -驱动驱动- -集成化集成化 提高提高EMC & EMIEMC & EMI能力能力 复合绝缘材料复合绝缘材料- -环境相容环境相容- -绝缘工艺绝缘工艺 提高提高PDIV & CIVPDIV & CIV，冷却介质相容，冷却介质相容 高频轴承电流抑制高频轴承电流抑制 冷却散热冷却散热 EV永磁永磁电机多领域一体化正向设计关键技术电机多领域一体化正向设计关键技术 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 TORUS NS型结构型结构+SMCTORUS NN型结构型结构 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 TORUS TORUS 高密度低噪声高热传导盘式电机高密度低噪声高热传导盘式电机 rotor 1rotor 2stator Axis of rotation TORUSTORUS永磁永磁电机电机 + SMC + SMC YASA电机电机 (1998-) Axial flux motor concept - high power traction motor (YASA type) 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 主要内容主要内容 1. 1. 高速高密度高速高密度EVEV驱动电机前瞻性技术驱动电机前瞻性技术 2 2. . EVEV驱动电机高速化发展历程与现状驱动电机高速化发展历程与现状 3 3. . Hairpin Hairpin 发卡式扁线绕组发展历程与现状发卡式扁线绕组发展历程与现状 4. 4. EVEV永磁驱动电机新技术发展趋势永磁驱动电机新技术发展趋势 10krpm高速高密度轻量高速高密度轻量小型化小型化、集成一体化集成一体化 (1995- ) NEV 牵引电机、逆变器与液冷结构一体化牵引电机、逆变器与液冷结构一体化 高速高速EV电机与减速齿轮一体化部